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JT-60SA為何在實驗前把真空室加熱到200℃

加熱真空室時,壁面釋出的氣體會讓壓力短暫升高。JT-60SA的試運轉紀錄顯示,真空室烘烤和超導磁體冷卻是怎麼同時進行的。

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2015年3月從上方拍攝的JT-60SA環形真空室,裝置在日本那珂組裝。
組裝中的JT-60SA真空室(2015年3月)。写真出典:Fusion for Energy(F4E) · 使用條款

真空幫浦還在運轉,容器內的壓力卻升高了。2023年,日本茨城縣那珂市的核融合實驗裝置JT-60SA在首次產生電漿之前,將真空室從50℃加熱到200℃。本來要把壓力降下來,為什麼還要做一道會讓壓力短暫升高的程序?原因要從抽走空氣後還留在壁面上的東西說起。

抽走空氣之後,再去除壁面水分

真空幫浦先抽走真空室內的空氣。水分還可能附著在壁面和內部零件的表面。QST的2020年試運轉紀錄指出,中央柱部分區域及上部偏濾器覆蓋的碳磚,也需要去除水分。

壁面升溫後,一些分子會離開原本附著的表面。即使幫浦仍在運轉,額外釋出的氣體也可能讓壓力短暫升高。氣體被持續抽走,壁面釋出的氣體逐漸減少,壓力便會下降。QST的2023年7月試運轉紀錄記下了這段變化:烘烤時壓力升高,烘烤後降得更低。短暫升壓發生在把壁面殘留物排出去的過程中。

JT-60SA真空室內部和上部偏濾器的防護板。
JT-60SA真空室內部,照片於2020年發布。來源: Fusion for Energy(F4E) · 使用條款

讓熱氮氣流過兩層鋼壁之間

JT-60SA把加熱後的氮氣送進兩層不鏽鋼殼之間,讓整個環形真空室升溫。內殼包住的實驗空間則另外抽氣。QST說明,裝置正常運轉時,真空室維持在50℃。要去除壁面水分等雜質時,才把溫度升到200℃。

同一時間,線圈正在降溫。QST在2023年7月記錄了超導線圈從80 K朝4.5 K目標溫度冷卻的過程。熱遮蔽板減少從真空室傳到線圈的熱量,板內流過約80 K的氦氣。冷凍設備以液態氮預冷氦氣。真空室兩層外殼間的高溫氮氣走另一條迴路。

在真空室周圍組裝的環向磁場線圈。
JT-60SA線圈組裝現場(2017年6月),18個線圈已有12個就位。來源: Fusion for Energy(F4E) · 使用條款

用洩漏測試找出外部氣體進入的路徑

光看壓力數字,很難知道氣體是從容器內壁釋出,還是從外面漏進來。烘烤能減少內表面殘留的水分等物質。洩漏測試則用來找出外部氣體進入的路徑。QST於2020年11月表示,容納電漿的真空室檢查了260處,磁體周圍用於隔熱的低溫容器檢查了270處,均未發現洩漏。

ITER的電漿真空室與磁體隔熱也分別設有真空系統。看組裝照片,可以依序找到真空室、包圍它的磁體和最外側的上蓋,也就更容易看出哪裡要加熱、哪裡要冷卻、哪裡要抽氣。打出首次電漿前,這三件事都得在同一台裝置上做到。

認識JT-60SA裝置 · ITER的低溫幫浦如何持續抽氣

2020年3月,起重機吊裝低溫容器的上蓋,完成主體組裝。
JT-60SA低溫容器上蓋安裝(2020年3月)。写真出典:Fusion for Energy(F4E) · 使用條款

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